水工建筑物-第2章

水工建筑物講課教師：李勁草Email:jingcaoli@126.com2.1水利工程設計的任務和特點水利工程

運用科學知識與技術手段，為滿足社會興水利除水害、防災減災的需求而修建的工程。張飛廟、石寶寨和白鶴梁是庫區(qū)三處著名的古跡，各方面人士提出許多保護、遷建方案。我們認為張飛廟的搬遷以就近后靠為好，石寶寨的保護關鍵是山體和基礎的穩(wěn)定，白鶴梁的保護方案應由多部門、多學科參予全面論證2都江堰水利工程34魚嘴的設置極為巧妙，它利用地形、地勢，巧妙地完成分流引水的任務，而且在洪、枯水季節(jié)不同水位條件下，起著自動調節(jié)水量的作用。魚嘴所分的水量有一定的比例。春天，岷江水流量?。还鄥^(qū)正值春耕，需要灌溉，這時岷江主流直入內江，水量約占六成，外江約占四成，以保證灌溉用水；洪水季節(jié)，二者比例又自動顛倒過來，內江四成，外江六成，使灌區(qū)不受水潦災害2.1水利工程設計的任務和特點水利工程的特點

1受自然條件制約，工作條件復雜多變；

2施工難度大，對環(huán)境和自然的影響大；

3社會、經(jīng)濟效益高，與經(jīng)濟系統(tǒng)聯(lián)系密切；

4工程實施的后果嚴重。52.1水利工程設計的任務和特點水利工程的特點

生態(tài)、環(huán)境、航運、旅游、文物67如果橋上走的是船，相信大多數(shù)人都會驚訝，難以相信。但在德國就有這樣一座橋，橋面既可以供行人、車輛通行，也可以行船蕩舟。這是一座橋中橋，或者，可以稱其為渡槽。確切地說，這座橋中間行船，兩側留出通道供行人和非機動車通行。這就是德國馬格德堡水橋也稱跨河水道。馬格德堡水橋，2003年10月建成，全長918米，德國人花了整整一個多世紀才建成這座馬格德堡水橋。馬格德堡水橋8紅線是老路，黃線是建橋之后的路。

易北河在馬格德堡和兩條大運河相交，一條通柏林，一條通萊茵。

易北河的水位比兩條運河都要低，建橋之前，船要從易北河繞進另一條運河，并且要通過兩次水閘。圖上可以看到兩個轉彎都很急，易北河的水位一低，滿載的船就過不去了。經(jīng)常要費時費力的卸貨重裝。

9這座奇特的橋中橋連接著德國兩條重要的航運運河：易北—哈維爾運河（Elbe-HavelCanal）和馬格德堡（Magdeburg）附近的米德蘭運河（Mittellandkanal），并直通德國工業(yè)重鎮(zhèn)魯爾山谷（RuhrValley）的中心地區(qū)。現(xiàn)在的馬格德堡水橋于1997年正式開工建造，歷經(jīng)6年、花費5億歐元，于2003年10月開通并投入使用。大橋于2003年開通，橫跨易北河，連接易北河-哈維爾運河（Elbe-HavelCanal）和馬格德堡近的米德蘭運河（Mittellandkanal），溝通了德國東西部的水路交通。10福爾柯克輪福爾柯克輪是世界上第一個，也是到目前為止唯一的一個旋轉升船機，位于蘇格蘭中部福爾柯克鎮(zhèn)Falkirk附近。建于1773年的福斯和克萊德運河（CanalForthandClyde），在Grangemouth港和福爾柯克鎮(zhèn)之間，連接著格拉斯哥與蘇格蘭西海岸。建于1822年的聯(lián)盟運河（CanalUnion）位于福爾柯克與愛丁堡之間，由于地理位置的困難，二條運河之間有79英尺的高度落差。11作為千禧年計劃之一，英國政府投入了約8500萬英鎊用于疏通聯(lián)合運河以及福斯和克萊德運河附件的水道，并耗資1400萬英鎊修建了福爾柯克輪（FalkirkWheel）。福爾柯克輪是世界上第一個，也是到目前為止惟一的一個旋轉升船機，它位于蘇格蘭中部福爾柯克鎮(zhèn)附近。旋轉升船機連接福斯和克萊德運河以及聯(lián)盟運河，使蘇格蘭中部連接大西洋和北海的水道變?yōu)闀惩?2福爾柯克輪FalkirkWheel其實就是一個大轉輪，兩邊各有一個對稱的可封閉水槽。當船要由高水位開到低水位的運河時，它就由高架水道開入水槽內，然后把水槽封閉，接著大轉輪就可以轉半圈，把船運到低水位的運河。旋轉吊橋的巨大起重機配備有10個水壓的水泵，能在15分鐘內，將4艘船(包括水)起吊到35米的高度。與此同時，另一只吊臂將4艘船放下。而整個裝置由于兩邊的水槽是對稱的，所以船開進去后，兩邊水槽的重量是接近一樣的。因此整個裝置運作起來所需要的能量并不大。福爾柯克輪大大減少了船只要渡過有高度差運河時的時間。所以，福爾柯克輪被稱為二十一世紀工程的一大奇觀。13由RMJM建筑設計事務所負責設計的福爾柯克輪于2002年5月開始運營，她被譽為二十一世紀工程設計的一大奇觀，堪稱是世界水利工程界一個將異想天開化為實際應用的絕佳案例。

LowercanalEntrancetolowercanal142.1水利工程設計的任務和特點白鶴梁

位于長江三峽庫區(qū)上游涪陵城北的長江中，是一塊長約1600米，寬16米的天然巨型石梁。白鶴梁景觀是三峽文物景觀中唯一的全國重點文物保護單位，每年12月到次年3月長江水枯的時候，才露出水面。相傳唐朝時朱真人在此修煉，后得道，乘鶴仙去，故名“白鶴梁”。聯(lián)合國教科文組織將其譽為“保存完好的世界唯一古代水文站”。1516全世界唯一的一處以刻石魚為“水標”，并觀測記錄水文的古代水文。三峽大壩蓄水175米后，白鶴梁題刻將永遠淹沒于近40米的江底。2002年國家采用了工程院院士葛修潤提出以“無壓容器”的保護方式，創(chuàng)造性地修建了世界上唯一在水深40米處的白鶴梁水下博物館.172.1水利工程設計的任務和特點水利技術工作

勘測、規(guī)劃、工程設計、工程施工、工程管理、科技開發(fā)。182.1水利工程設計的任務和特點水利工程設計

技術預測、信息分析、科學類比、系統(tǒng)分析、方案設計、功能分析、安全分析、施工方案、經(jīng)濟分析、綜合評價。192.1水利工程設計的任務和特點設計工作水平

1開發(fā)型設計

2更新型設計

3適配型設計設計方法的特點202.2水工建筑物設計的步驟水工建筑物設計（圖2-1水利工程建設系統(tǒng)）

設計階段的工作步驟

212.2水工建筑物設計的步驟水利水電工程分等和水工建筑物分級水庫五級

主要建筑物

次要建筑物222.3水工建筑物的安全性失事情況統(tǒng)計

滲漏16%

失穩(wěn)15%

漫頂12%安全儲備232.3水工建筑物的安全性極限狀態(tài)

承載能力極限狀態(tài)

正常使用極限狀態(tài)Z=R-SR-結構抗力

S-作用對結構產(chǎn)生的作用效應242.3水工建筑物的安全性可靠指標

可靠性：安全性、適用性、耐久性

可靠性的尺度：1可靠度（可靠概率ps）

2不可靠度(失效概率pf)

ps+pf=1

3安全指標(數(shù)值指標)252.3水工建筑物的安全性描述結構狀態(tài)的功能函數(shù)為Z=g(X1,X2,…,Xn,c)當g(.)﹥0時，結構安全；當g(.)﹤0時，結構失效；當g(.)=0時，極限狀態(tài)；因此，極限狀態(tài)方程Z=g(.)=0是描述結構處于極限狀態(tài)時的數(shù)學模型。結構在給定條件和基準期內完成預定功能的概率，就是可靠度。26272.3水工建筑物的安全性

ps=P[g(.)≧0]=P[Z≧0]=1-FZ(0)Z為安全裕量，F(xiàn)Z(z)為Z的概率分布函數(shù)。

失效概率為pf=P[g(.)]=P[Z﹤0]=FZ(0)2.3水工建筑物的安全性

1單一安全系數(shù)法K=R/S(只是定性，沒有定量)

2分項系數(shù)極限狀態(tài)設計法

(1)結構重要性系數(shù)γ0(2)作用分項系數(shù)γF282.3水工建筑物的安全性(3)材料性能分項系數(shù)γf

(4)設計狀況系數(shù)ψ(5)結構系數(shù)γd292.4水工建筑物的抗震分析震級

指地震的大小，是表征地震強弱的量度，是以地震儀測定的每次地震活動釋放的能量多少來確定的。震級通常用字母M表示。我國目前使用的震級標準，是國際上通用的里氏分級表，共分9個等級。

通常把小于2.5級的地震叫小地震，2.5-4.7級地震叫有感地震，大于4.7級地震稱為破壞性地震。震級每相差1.0級，能量相差大約30倍;每相差2.0級，能量相差約900倍。比如說，一個6級地震釋放的能量相當于美國投擲在日本廣島的原子彈所具有的能量。302.4水工建筑物的抗震分析烈度地震烈度就是為了衡量地震的破壞程度。同樣大小的地震，造成的破壞不一定相同;同一次地震，在不同的地方造成的破壞也不一樣。在中國地震烈度表上，對人的感覺、一般房屋震害程度和其他現(xiàn)象作了描述，可以作為確定烈度的基本依據(jù)。

影響烈度的因素有震級、震源深度、距震源的遠近、地面狀況和地層構造等。31基本烈度不是某一次地震影響所致的烈度，而是用統(tǒng)計學方法計算得來的綜合烈度，即在今后若干年，這一地區(qū)可能遭遇到的最大危險烈度。冠以“基本”二字是為了與一般使用的烈度意義有別。322.4水工建筑物的抗震分析3334

“5.12”汶川大地震發(fā)生后，位于汶川縣境內的福堂、太平驛、映秀灣水電站停運，大壩泄洪設施不能及時打開而出現(xiàn)江水漫溢險情。為防止?jié)挝＜跋掠稳嗣袢罕姷纳拓敭a(chǎn)安全以及救援部隊利用水道搶險的安全，5月19日，中央領導同志作出重要批示，要求對福堂、太平驛和映秀灣大壩出現(xiàn)的險情盡快核實情況，研擬排險方案，立即采取措施排除險情。

5.12汶川地震2.4水工建筑物的抗震分析352.4水工建筑物的抗震分析太平驛水電站362.4水工建筑物的抗震分析太平驛電站位于汶川映秀鎮(zhèn)上游9公里，5月15日，電站水庫有崩塌危險的消息傳出時，大批救援隊伍正在趕往下面的映秀進行救援。太平驛庫容僅90萬立方，但是“若潰決依然能在瞬間產(chǎn)生很高的水頭，對沿江鄉(xiāng)鎮(zhèn)造成威脅?！?7紫坪鋪水電站382.4水工建筑物的抗震分析5.12地震讓岷江流域的水電站大壩有不同程度的損壞，國家電監(jiān)會5月20日的報告稱，這些大壩庫容均較小，壩高較低(最高的31.5米)。即使這些大壩潰決，其下游有紫坪鋪水庫(庫容11.26億方)容納。因此，不會對紫坪鋪下游造成次生災害。39圖1：記者航拍到的德陽西北的一座山間水電站，由于地震的作用而滾落的碎石將其損壞嚴重，隨時將被洪水沖毀。40圖2：紫坪鋪水電站被損壞的建筑。41圖：紫坪鋪水電站因地震影響，大壩多處開裂，工作人員正在大壩上進行仔細檢測勘查。42“大壩尚好，只是千瘡百孔”紫坪鋪水電站43然而，這次大災難還是令一些地質專家，對地處斷裂帶上大規(guī)模修建水利水電工程再次提出疑問，而紫坪鋪只是岷江流域上百座大小水電站其中的一個。據(jù)水利部統(tǒng)計，目前四川省因地震出現(xiàn)險情的水庫有391座。

“我們需要反思?！钡刭|學者楊勇說，這對防范次生災害和災后重建有益無害。

“我們應該對受地震影響的電站、水庫進行認真評估，應對可能發(fā)生的地質災害。這些次生災害可能比地震造成更大的破壞。而今后這些電站、大壩是恢復、重建還是廢棄呢？這是一個值得思考的問題?！?/p>

——地質學者楊勇

“2007年，四川省水利廳問，紫坪鋪水庫已經(jīng)建成了，該怎么辦？我的意見是炸掉！或者將水放掉?！?/p>

——四川省地震局已退休的高級工程師李有才

“肯